檔案和檔案系統

1.基本概念

資料項：

描述物件某種屬性的字符集；是資料組織中可以命名的最小邏輯資料單位。
記錄：一組相關資料項集合，描述物件某方面的屬性；

關鍵字：

一個記錄中的一個或幾個資料項的集合，用於唯一的標識一個記錄。

檔案：

由建立者定義的、具有檔名的一組相關元素的集合。

有結構：由相關記錄組成

無結構：字元流的形式

屬性：型別、長度、物理位置、建立時間

2.檔案型別

按用途：系統、使用者、庫檔案
按資料形式：原始檔、目標檔案、可執行檔案
按存取控制屬性：只執行、只讀、讀寫
按組織和處理方式：普通檔案、目錄檔案、特殊（裝置）檔案

3.檔案系統模型

系統管理檔案模型

4.檔案操作

最基本的操作

建立/刪除檔案：分空間，形成FCB及目錄（名，地址）
讀、寫：按名檢索目錄，找到檔案地址，開始讀、寫
設定檔案讀寫位置，實現隨機存取
還需要：“開啟”與“關閉”：
檔案讀/寫操作 = 檢索 + 讀/寫
其他操作：改名、改所屬使用者、改訪問許可權等屬性的操作。

檔案的邏輯結構

1.檔案邏輯結構的型別

（1）有結構檔案（記錄式）
①定長記錄
②變長記錄
組織記錄：
1>順序檔案。系統需按該型別記錄“長度”，通常定長。
兩種記錄排列方式
串結構：按記錄形成的時間順序序列排序。記錄順序與關鍵字無關；
順序結構

：按關鍵字排序。
檢索方法：
從頭檢索，順序查詢要找的記錄，定長的計算相對快。
順序結構，可用折半查詢、插值查詢、跳步查詢等演算法提高效率
具體的定址過程：
第i條記錄地址（定長） ：
讀寫指標 + 記錄長度： ptr + i*L
第i條記錄地址（變長） ：
掃描或讀取前面0~i-1條記錄
第i條記錄地址（變長）
變長記錄資料前用1位元組儲存每條記錄長度，順序掃描，但不用把記錄全掃描完
優缺點：
1.不方便隨機存取某條記錄，但適用批量存取的場合。
2.適合磁帶等特殊介質。
3.單記錄的查詢、修改等互動性差；增減不方便
—>改進辦法：把增刪改的記錄登記在一個事務檔案中，在某段時間間隔後再與原檔案合併更新。
2>索引檔案。系統需為檔案建立索引表。
索引表內容：
索引號、長度、記錄地址指標
檢索效率:
索引表本身即是個按記錄鍵排序的定長順序檔案，所以能利用演算法提高索引表檢索速度
一個索引檔案可以有多個索引表
為方便使用者根據不同記錄屬性檢索記錄，為順序檔案建立多個索引表，每種能成為檢索條件的域都配備一張索引表。
優缺點:
1.適用於變長記錄，可提高檢索速度，實現直接存取
2.索引表增加了儲存開銷
3>索引順序檔案。建索引表，記錄每組記錄的第一個記錄位置。
既要方便，又要降低開銷
最常見的一種邏輯檔案形式。
將順序檔案的所有記錄分組
還是建立索引表，但每個表項記錄的是每組第1條記錄的鍵值和地址。
組內記錄仍按順序方式檢索和使用。
檢索一條記錄的過程：
先計算記錄是在第幾組，然後再檢索索引確定組在哪裡後，在組內順序查詢。
可利用多級索引，進一步提高檢索效率。
（2）無結構檔案（字元流式）
位元組為單位，利用讀寫指標依次訪問。
系統對該類檔案不需格式處理。

外存分配方式

目標：有效利用外存空間，提高檔案訪問速度
常用三種方式：

①連續分配

缺點：
（1）會產生外存碎片。可緊湊法彌補，但需要額外的空間，和記憶體緊湊相比更花時間。
（2）建立檔案時要給出檔案大小；儲存空間利用率不高，不利於檔案的動態增加和修改；

②連結分配（不連續）

可以為每一個檔案分配一組不相鄰的盤塊。
1>隱式連結
2>顯式連結
優點：
離散分配，消除外部碎片，提高利用率
同時適用於檔案的動態增長；修改容易

③索引分配

1>單級索引分配
索引形式適合大檔案
中、小型檔案，只需若干連結即可。若用索引分配方式，用一個盤塊存放少量索引資訊反而不適用。
2>多級索引
若檔案較大，存放索引表也需要多個盤塊（索引盤塊）。
索引盤塊亦需要按順序管理起來
3>混合組織索引
多種索引方式相結合
通常一個系統中僅採用一種方式
採用的磁碟分配方式決定了檔案的“物理結構”

儲存空間的管理

為實現儲存空間分配，系統需要：
記住空閒儲存空間使用情況；為空間設定相應的資料結構；
提供對儲存空間分配、回收的操作手段。

1.典型的管理方法：

1）空閒表法

常用於連續分配管理方式

①資料結構

1>系統為外存上的所有空閒區建立一張空閒表
2>每個空閒區對應一個空閒表項
3>將所有空閒區按其起始盤塊號遞增的次序排列

②儲存空間的分配與回收操作

1>與記憶體的動態分配類似，同樣可採用首次適應演算法、迴圈首次適應演算法等。
2>回收主要解決對資料結構的資料修改。

2）空閒連結串列法

將所有空閒盤區拉成一條空閒鏈。

資料結構：鏈

根據構成鏈所用基本元素的不同，可把*連結串列分成兩種形式：
1>空閒盤塊鏈
分配回收簡單。連結串列長，大量分配時需要操作的指標多
2>空閒盤區鏈
連結串列長度不定，分配時操作的指標數量相對較少，但分配回收操作相對複雜。

3）位示圖法

利用二進位制的一位來表示一個盤塊的使用情況。
值為0表示對應的盤塊空閒，為1表示已分配。有的系統則相反。
磁碟上的所有盤塊都有一個二進位制位與之對應，這樣由所有盤塊所對應的位構成一個集合，稱為位示圖。
總塊數=mn。可用mn個位數來構成位示圖，可看成是二維陣列。

盤塊的分配與回收

根據位示圖進行盤塊分配：
1>順序掃描位示圖。找到為0的二進位制位。
2>將所找到的一個或一組二進位制位，轉換成與之對應的盤塊號。進行分配操作。
盤塊號計算公式為：盤塊號 = 列總數（i-1）+ j;（j從1開始）
3>修改位示圖。*
根據位示圖進行盤塊回收：
1>將回收盤塊的盤塊號轉換成位示圖中的行號和列號。
轉換公式為：i=(盤塊號-1)div列數+1；j=(盤塊號-1)mod列數+1
2>修改位示圖。

優點：

1>從位示圖中很容易找到一個或一組相鄰接的空閒盤塊。
2>但限於容量問題，常用於微型機和小型機中。
3）成組連結法

中心思想：

1>連結串列長度上限固定
2>組內的盤塊藉助一個系統棧可快速處理，且分配回收比較簡單。
3>支援離散分配回收。

①空閒盤塊的組織
②空閒盤塊的分配與回收

目錄管理

1.FCB內容

（1）包含資訊

1>基本資訊類
包括檔名，檔案物理位置，檔案邏輯結構，檔案的物理結構。
2>存取控制資訊類
包括檔案主的存取許可權，核准使用者的存取許可權和一般使用者的存取許可權。
3>使用資訊類
建立日期和時間、檔案上次修改的日期和時間
當前使用資訊：開啟該檔案的程序數、是否被程序鎖住、是否已修改等。

2.索引結點

索引結點由外存到記憶體的過程中有不同的形式：
（1）磁碟索引結點
*存放在磁碟上的索引結點。主要包括以下內容：*檔案主識別符號、檔案型別、檔案存取許可權、檔案實體地址、檔案長度、檔案連線計數、檔案存取時間。
記憶體索引結點
檔案被開啟後，將磁碟索引結點拷貝到記憶體索引結點中以便使用。比磁碟索引結點增加了以下內容：索引結點編號、狀態、訪問計數、檔案所屬檔案系統的邏輯裝置號、連結指標。

3.目錄結構

目錄結構的組織，關係到檔案系統的存取速度，也關係到檔案的共享性和安全性。
組織好檔案的目錄，是設計好檔案系統的重要環節。
目前常用的目錄結構形式有
1>單級目錄
最簡單的目錄結構。
整個檔案系統中只建立一張目錄表，每個檔案一個目錄項，含有檔案相關資訊。
每建立一個新檔案：
先檢索所有的目錄項，保證檔名唯一。
獲得一空白目錄項，填入相關資訊，修改狀態位。
刪除一個檔案：
找到對應目錄項，回收檔案所佔用空間
清除目錄項

優點：

簡單、能實現目錄管理的基本功能——按名存取。

缺點：

1.檔案檢索時需搜遍整個目錄檔案，範圍大速度慢。
2.不允許重名。名字過多難於記憶，對於多使用者環境重名難以避免。
3.不便於實現檔案共享,一般只適用單機環境。
2>兩級目錄
為每一個使用者建立一個單獨的使用者檔案目錄UFD，UFD由使用者所有檔案的檔案控制塊組成。
系統建立一個主檔案目錄MFD， MFD中每個使用者目錄檔案都佔有一個目錄項，其中包括使用者名稱和指向UFD的指標

特點

克服了單級目錄的缺點

優點：

1.提高了檢索目錄的速度。
2.在不同的目錄中可重名。
3.不同使用者還可以使用相同/不同的檔名來訪問系統中的同一個共享檔案。

缺點：

不提供子目錄操作，還不方便；各使用者之間被完全隔離的話使用者訪問其他使用者檔案時，不方便合作。
3>多級目錄
適用於較大的檔案系統管理
在檔案數目較多時，便於系統和使用者將檔案分散管理

4.目錄查詢技術

使用者要訪問一個已存檔案

1>目錄資料調入記憶體；
2>按名檢索：系統利用提供的檔名對目錄(根據目錄層次，需要做的檢索次數也不同)進行查詢
3>找該檔案控制塊
4>讀FCB或對應索引結點；
5>從檔案實體地址換算出檔案在磁碟上的物理位置；
6>最後通過磁碟驅動程式，將所需檔案讀入記憶體。

目錄查詢方式：

①線性檢索法
又稱為順序檢索法。
單級目錄中
使用者提供檔名，順序查詢檔案目錄。
樹型目錄中
使用者提供路徑名，如/user/ast/mbox
對多級目錄進行逐層查詢。
②Hash方法

檔案共享與保護

1.檔案共享

多個使用者共享一份檔案，只保留檔案的一份副本，節約儲存空間

方式：

①索引結點法

基本FCB法：
名+詳細資訊。
直接在檔案目錄中包含檔案的實體地址，該方法實現的共享不適用檔案動態變化。一個使用者對檔案的修改，對其他使用者不可見，共享檔案的FCB資訊記錄同步更新困難。
檔名+索引結點指標。
一個使用者修改指標指向地址裡的內容，指標不變，其他使用者通過指標總能感知索引結點中的最新內容
索引結點中增加count計數

②符號鏈法

1>建立一個link型別的檔案：“檔名+共享檔案路徑”
2>檔案主人刪除檔案，共享者只會出現找不到檔案錯誤。不會發生共享檔案刪除後出現懸空指標的情況。
3>該方法適用於網路檔案共享，但根據路徑檢索共享檔案的目標位置增加了訪問開銷，link檔案獨佔索引結點也耗費一定的空間。

2.磁碟容錯

防止磁碟故障造成的檔案不安全

①SFT I:磁碟表面故障

雙目錄、雙檔案分配表（空間冗餘）
寫後讀校驗、熱修復重定向（時間操作冗餘）
寫入磁碟後再讀回記憶體做一致性校驗
熱修復寫過程：從壞道重定向到專區並記錄

②SFT II：磁碟驅動器、控制器故障

驅動器故障：磁碟映象
控制器故障：磁碟雙工——並行控制器，分離搜尋加快讀取

③SFT III：高階容錯技術

雙機熱備份
雙機互備份
公用磁碟模式